Поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена

Поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к аэрогидромеханике, энергетике, к поточным технологиям, задачам повышения эффективности транспорта, к медицине и другим областям научно-технической деятельности и инженерной практики, в которых успех разработок и реализации поточных процессов и оборудования, их функциональные и технико-экономические характеристики зависят от качества потоков сплошной среды и возможности управлять процессами взаимодействия потока и поверхности.

Наиболее близким к предлагаемым поверхностям является техническое решение по патенту RU 2020304, 30.09.1994 г., содержащее поверхности обтекания, являющиеся границей раздела между движущейся сплошной средой (газы, жидкости, их двухфазные или многокомпонентные смеси) и твердой энергообменной стенкой, исходно плоской, цилиндрической, конической или любого другого профиля. Предлагаемая в этом патенте форма поверхности, представляющая собой трехмерный либо вогнутый, либо выпуклый рельеф, позволяет интенсифицировать теплообмен между граничной поверхностью и основным потоком при неопережающем уровень интенсификации росте аэрогидродинамических потерь за счет формирования на таких рельефах вихревых структур. Диапазоны размеров предлагаемых рельефов связаны с характеристиками пограничных слоев течения, при этом по предлагаемому решению поверхность обтекания содержит распределенные по ней трехмерные вогнутые или выпуклые элементы рельефа с закругленными участками перехода, сопрягающими эти элементы с исходно гладкой поверхностью; причем любое сечение элементов рельефа, параллельное плоскости, в которой лежат три ближайшие их вершины, имеет форму плавной замкнутой линии.

Недостатком этого известного патента является его однонаправленность, ограниченная в основном решением задач теплообмена и отсутствием оптимальных решений для повышения критических тепловых нагрузок в процессах кипения, уменьшения кавитационного износа поверхностей, снижения скорости отложения примесей из потоков энергоносителей на обтекаемые поверхности, уменьшения аэрогидродинамического сопротивления и сопротивления между трущимися поверхностями в парах трения и др., а также отсутствие соотношений между кривизнами участков предлагаемой поверхности, имеющими разный знак на вогнутых и выпуклых частях ее рельефа, совершенно необходимых для их конструирования и построения.

Техническим результатом и единым изобретательским замыслом предложенного изобретения является изменение структуры течения газов, или жидкостей, или их смесей и в первую очередь структуры пограничного слоя потоков, превращающее сдвиговый пограничный слой в трехмерный вихревой, что приводит к снижению напряжений трения и интенсификации обмена массой и теплом между формованной поверхностью и потоком.

В частности, изобретение позволяет снижать аэрогидродинамические потери при относительном движении поверхности и сплошной среды, уменьшать кавитационное разрушение поверхностей, уменьшать акустический шум при их обтекании и интенсифицировать обменные процессы между течением газов, жидкостей их двухфазных или многокомпонентных смесей. Предлагаемые поверхности носят название Tornado Like Jet Surfase - TLJS - и представляют собой совокупность чередующихся участков исходно гладкой поверхности и отформованных на ней криволинейных участков в виде углублений двойной кривизны. При относительном движении среды и TLJS углубления превращаются одновременно в стоки натекающей на них среды и источники вторичных смерчеобразных закрученных струй, самоорганизующихся на TLJS под действием полей сил, возникающих при обтекании рельефа углублений двойной кривизны и отсутствовавших при обтекании гладких поверхностей. Силовое поле, присущее взаимодействию потока с выпукло-вогнутым рельефом, формирует при обтекании поверхностей с такими рельефами течение, в котором закрученные струи встроены в пристенные слои потока, создавая дополнительную связь между пограничным слоем и ядром течения. Эти струи, подобно смерчам, всасывают в свой ствол массу среды с поверхности углублений и окружающих их исходно гладких участков TLJS и переносят ее за пределы пограничного слоя. Это явилось основанием для названия их "смерчеобразными струями" или TLJ (по аббревиатуре терминов Tornado Like Jet).

Дальнейшие исследования показали, что обнаруженные течения образуют новый класс потоков газов, жидкостей и их смесей, закономерности обменных процессов и взаимодействия которых с твердыми границами и средой зарождения не присущи другим ламинарным или турбулентным потокам, традиционно используемым для решения задач аэрогидромеханики, энергетики, транспорта, поточных технологий, включая биотехнологии и ряд направлений медицинской практики и техники.

В результате реализации поверхности тела для снижения трения и аэрогидродинамического сопротивления поверхностей достигается:

- снижение аэрогидродинамического сопротивления энергообменных каналов, обтекаемая поверхность которых представляет собой TLJS;

- снижение аэродинамического сопротивления тел с TLJS, движущихся в воздухе, в акваториях и по суше со скоростями, достаточными для самоорганизации вторичных смерчеобразных струй;

- снижение трения между твердыми TLJS, например парами трения, помещенными и трущимися друг об друга в газообразной, или жидкой средах, или в их смесях, за счет формирования в углублениях рельефа вихревого пограничного слоя из окружающей среды, выполняющего роль вихревых подшипников.

В результате реализации TLJS в устройствах или процессах с целью интенсификации теплообмена достигается:

- увеличение скорости обмена теплом и массой между потоками теплоносителей и TLJS, содержащими предлагаемые в изобретении криволинейные участки двойной кривизны, на которых формируются смерчеобразные струи, ускоряющие в газах, жидкостях и в их смесях обменные процессы при отстающем от меры интенсификации уровне гидравлических потерь или при уровне потерь, не отличимых от потерь при обтекании исходно гладких поверхностей аналогичных геометрических форм и размеров;

- повышение критических тепловых нагрузок на TLJS, охлаждаемых жидкими теплоносителями, за счет придания этим поверхностям предложенных криволинейных форм, изменяющих кинетику массообмена в процессе фазового превращения в жидкой среде при отстающем от меры повышения уровне гидравлических потерь или при уровне потерь, не отличимых от потерь при обтекании исходно гладких поверхностей аналогичных геометрических размеров и форм;

- предотвращение кавитационного разрушения TLJS, обтекаемых потоками жидкости, за счет придания им форм, содержащих криволинейные участки, и создания условий для формирования на этих поверхностях вторичных смерчеобразных струй, предотвращающих рост на таких поверхностях парогазовых образований (пузырей) и эвакуирующих зародыши таких образований за пределы обтекаемой поверхности;

- снижение адсорбции загрязнений, посторонних примесей и нарастания отложений из движущейся среды на TLJS предложенных выше форм за счет выноса в основной поток примесей с этих поверхностей, например, в виде золы или веществ, претерпевающих фазовые превращения, включая продукты неполного сгорания топлива, солевые отложения, другие адсорбирующиеся вещества, в том числе лед и снег.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что поверхность тела для уменьшения трения с газообразными, жидкими средами или их смесями характеризуется тем, что на гладкой поверхности с нанесенным защитным слоем или без него выполнены углубления двойной кривизны, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми и вогнутыми поверхностями второго порядка, при этом сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклых форм поверхностей, образующих скаты, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть углубления, выполнена гладкой или с обтекателем, а отношения глубин h_c углублений к размерам L₁ углублений вдоль направления потока находятся в интервале:

отношение поперечного размера L₂ углубления к продольному размеру L₁ углубления находится в интервале:

при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:

Углубления могут быть выполнены с продольным и/или поперечным размерами, изменяющимися вдоль потока.

Углубления могут быть нанесены либо механическим способом, либо электрохимическим способом, либо формованием на поверхности защитного слоя из полимера, нанесенного на поверхность, с последующей полимеризацией защитного слоя, либо обработкой поверхности лазерным лучом, либо с использованием комбинаций из этих способов.

Скаты могут быть образованы тороидальной поверхностью.

Скаты могут быть образованы гиперболической поверхностью.

Скаты могут быть образованы эллиптической поверхностью.

Поверхность с радиусом кривизны R_(-), имеющая тороидальные скаты, на которой радиус углубления r_sp вогнутой сферической части определяется соотношением:

где h_sp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны выпуклой части углубления R₍₊₎ связан с его глубиной h_c и радиусом r_c соотношением:

Поверхность снабжена обтекателем, имеющим форму тела вращения с криволинейным основанием в виде части вогнутой поверхности углубления, при этом проекция обтекателя на любую плоскость, в которой лежат ось симметрии этих обтекателей и касательная к точке пересечения их оси симметрии с вогнутой поверхностью углубления, определяется соотношением:

где r_i - радиус обтекателя, h_i - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R_(-) значения в диапазонах

Технический результат по второму варианту достигается также тем, что поверхность тела для интенсификации конвективного массо- и теплообмена с газообразными, жидкими средами или их смесями характеризуется тем, что на гладкой поверхности выполнены углубления, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми и вогнутыми поверхностями второго порядка, при этом сопряжение углубления с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклых поверхностей, образующих скаты, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть углубления, выполнена гладкой или с обтекателем, а отношение глубины h_c углубления к размеру L₁ углубления вдоль направления потока находится в интервале:

отношение поперечного размера L₂ углубления к его продольному размеру L₁ находится в интервале:

при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:

Углубления могут быть выполнены с изменяющимся вдоль потока продольным и/или поперечным размерами.

Углубления могут быть нанесены либо механическим способом, либо электрохимическим способом, либо обработкой поверхности лазерным лучом, либо формованием и полимеризацией поверхности защитного слоя, либо с использованием различных комбинаций из этих способов.

Скаты могут быть образованы тороидальной поверхностью.

Скаты могут быть образованы гиперболической поверхностью.

Скаты могут быть образованы эллиптической поверхностью.

Поверхность углублений с радиусом кривизны R_(-), имеющих тороидальные скаты и сферическую вогнутую часть, радиус r_sp которой определяется соотношением:

где h_sp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны R₍₊₎ выпуклой части углубления связан с его глубиной h_c и радиусом r_c соотношением:

Поверхность может быть снабжена обтекателем, имеющим форму тела вращения с криволинейным основанием в виде части вогнутой поверхности углубления, при этом проекция обтекателя на любую плоскость, в которой лежат ось симметрии этих обтекателей и касательная к точке пересечения их оси симметрии с вогнутой поверхностью углубления, определяется соотношением:

где r_i - радиус обтекателя, h_i - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R_(-) значения в диапазонах

На поверхности теплообменной пластины углубления могут быть расположены в шахматном или коридорном порядке, а размер углублений и их глубина могут увеличиваться или уменьшаться по направлению потока вдоль пластины.

Вокруг основных углублений могут быть расположены углубления с меньшими продольным, поперечным размерами и глубинами.

На другой стороне поверхности расположены выступы, ответные углублениям.

На другой стороне поверхности пластины расположены ребра, ориентированные вдоль пластины по направлению потока.

Углубления могут быть расположены на другой стороне пластины симметрично или асимметрично относительно углублений основной стороны пластины.

Дополнительная поверхность пластины, содержащая углубления, размещена относительно основной поверхности с образованием теплообменного канала, при этом поверхности основной и дополнительной пластин с углублениями обращены друг к другу и расположены параллельно за счет дистанционирующих элементов в виде выступов сферической, конической, цилиндрической или иной форм.

Поверхность трубы, в которой углубления вдоль трубы и поперек трубы расположены в шахматном или коридорном порядке.

Размер углублений и их глубина увеличиваются или уменьшаются по направлению потока вдоль или поперек трубы.

На внутренней поверхности трубы расположены выступы, имеющие поверхности второго порядка.

На внешней поверхности трубы могут быть расположены углубления, а на ее внутренней поверхности могут быть расположены выступы.

На внутренней поверхности трубы могут быть расположены продольные ребра с углублениями.

На внутренней поверхности трубы могут быть расположены поперечные ребра с углублениями.

Внутри трубы может быть расположена изогнутая скрученная лента с углублениями.

На внутренней поверхности трубы могут быть симметрично или ассиметрично расположены углубления относительно углублений на наружной поверхности.

Продольный, поперечный размеры и глубина углублений, нанесенных на внутреннюю поверхность трубы, увеличиваются или уменьшаются по направлению потока.

На внутренней поверхности трубы расположены углубления, и внутри трубы установлена изогнутая скрученная лента с углублениями.

Внутренняя поверхность трубы выполнена без углубления, и внутри трубы установлена скрученная лента с углублениями.

На фиг.1 представлен фрагмент поверхности тела обтекания, содержащий одно углубление.

На фиг.2 представлена поверхность углубления с обтекателем в виде двойного углубления, нанесенного на поверхность по способу одно в другом.

На фиг.3 представлена поверхность углубления с обтекателями в виде множества мелких углублений на его поверхности.

На фиг.4 - поверхность углубления с обтекателем в виде углубления.

На фиг.5 представлена схема линий тока среды, вовлеченной в формирование вторичной закрученной структуры в углублении на поверхности при низких скоростях относительного движения поверхности и среды.

На фиг.6 представлен тот же процесс, визуализированный фотосъемкой.

На фиг.7 представлена визуализация процесса сжатия вихря в углубление и всасывания в вихрь среды из пристенного слоя течения, обтекающего поверхность с углублениями.

На фиг.8 представлена визуализация процесса обтекания рельефа трехмерных углублений турбулентным потоком.

На фиг.9 представлен результат измерения толщины пограничного слоя на поверхности с углублением; 1 - гладкая поверхность, 2 - поверхность с углублением; максимум на кривой 2 соответствует координатам зоны истечения смерчеобразной струи из углубления.

На фиг.10 представлена трехмерная эпюра давления, измеренная на поверхности углубления. Пониженное давление на периферии соответствует всасыванию среды из пограничного слоя в углубление, а зона повышенного давления (купол) в центральной части углубления определяет давление в торце самоорганизующейся смерчеобразной струи, обеспечивающее истечение в основной поток массы среды; всосанной смерчеобразным вихрем; зона расположения максимума давления в углублении совпадает с зоной расположения максимума толщины пограничного слоя над углублением на фиг.9 и с координатами размещения обтекателя из поверхностных вихрей Гертлера на фиг.11, что указывает на «вытягивание» смерчеобразной струи из углубления основным потоком.

На фиг.11 представлена фотография визуализации процесса обтекания основным потоком жидкости (воды) углубления двойной кривизны на граничной поверхности, демонстрирующая изменение структуры пограничного слоя за счет образования поверхностных гертлеровских вихрей, имеющих вид «косичек», указанных стрелками. Косички, «вплетенные» в пограничный слой, заменяют часть напряжений сдвига в прандтлевском слое прилипания на напряжения качения «косичек» по поверхности, что является необходимым условием самоорганизации смерчеобразных вихрей и основой уменьшения напряжений трения на предлагаемых поверхностях. На фотографии зафиксирован обтекатель, выстроенный из гертлеровских вихрей вторичным закрученным течением в углублении выбранной формы. Ствол смерчеобразного вихря, как следует из рассмотрения фотографии, заполнен «косичками» - гертлеровскими вихрями, отсасываемыми смерчеобразным вихрем вместе с массой пограничного слоя, что в случае использования таких поверхностей для тепломассообмена обуславливает его высокую интенсивность.

На фиг.12 представлена поверхность теплообменной пластины с продольными ребрами.

На фиг.13 представлено размещение пластин с образованием теплообменного канала.

На фиг.14 представлена поверхность теплообменной трубы. На фиг.15 представлена поверхность трубы с продольными ребрами.

На фиг.16 представлена поверхность трубы с поперечными ребрами внутри.

Форма обтекаемых сплошной средой поверхностей для снижения напряжений трения (TLJS-DR) и поверхностей для интенсификации массо - и теплообмена (TLJS-НМТ), предлагаемых в изобретении, в обоих случаях представляет собой совокупность участков исходно гладкой поверхности и сопряженных с ними углублений двойной кривизны с отличием друг от друга плотностью, формой и геометрическими размерами углублений, доверительные интервалы изменения которых указаны ниже.

Формирование обтекающего потока на таких рельефах обеспечивает необходимые и достаточные условия для формирования нового класса течений, охватывающих возможности повышения функциональной и технико-экономической эффективности практически всего парка поточных процессов, аппаратов, оборудования и транспортных агрегатов, используемых в научной и практической деятельности человека.

Наряду со:

- снижением аэрогидродинамического сопротивления различных тел, находящихся в состоянии относительного движения со сплошной средой, включая самолеты, автомобили, поезда, речные, морские и океанические суда, яхты и др. транспортные средства (поверхности TLJS-DR - Tornado Like Jet Surface-Drag Reduction);

- уменьшением потерь давления в напорных каналах, транспортирующих газы, жидкости и/или их смеси (поверхности TLJS-DR - Tornado Like Jet Surface-Drag Reduction);

- повышением функциональной эффективности энергообменных поточных процессов и оборудования, включая агрегаты для тепло - и массообмена (поверхности TLJS-HMT - Tornado Like Jet Surface-Heat & Mass Transfer);

- снижением кавитационного износа поверхностей гидравлических турбомашин, винтов судовых движителей, гидронасосов и других агрегатов, подверженных воздействию процессов кавитации (поверхности TLJS-HMT - Tornado Like Jet Surface-Heat & Mass Transfer);

- нагревом и охлаждением магнитотепловых агрегатов для преобразования низкопотенциальных тепловых потоков в механический и электрический виды энергии (поверхности TLJS-HMT - Tornado Like Jet Surface-Heat & Mass Transfer);

оба типа поверхностей используются также для повышения функциональной эффективности других энергообменных поточных процессов и оборудования, в том числе:

- понижения уровня акустического шума при обтекании каналов и тел и

- самоочищения от грязи и примесей, адсорбирующихся на TLJS из контактирующих с ней сплошных сред.

Перечисленные выше направления использования предлагаемого изобретения обуславливают разнообразие вариантов его осуществления. Однако общими для всех возможных вариантов при постановке конкретной задачи являются:

- количественное определение основных функциональных характеристик процессов или оборудования, которые предполагается улучшить;

- выбор форм и размеров рельефов, основанный на анализе параметров задач;

- выбор технологии нанесения рельефов на поверхности.

В качестве примера приведем рельеф, обтекаемый потоком сплошной среды, выпуклая часть элементов которого представляет собой сегмент тора, имеющего сечение в виде круга, а вогнутая часть - сегмент любой поверхности второго порядка, например сферической. Выпуклая часть криволинейной поверхности углублений -скаты, внешняя по отношению к геометрическому центру углублений, характеризуется радиусом кривизны R₍₊₎, а другая, или внутренняя часть этой поверхности, например сегмент сферы, расположенный вокруг геометрического центра криволинейного участка, характеризуется радиусом кривизны R_(-), причем кривизна и форма выпуклой тороидальной части определяется соотношением:

а форма вогнутой части - соотношением:

при этом отношение радиусов кривизны выпуклой и вогнутой частей углубления находится из соответствующего соотношения условий (Q) (см. ниже) в интервале:

при выполнении условий, определяющих предел устойчивости пограничного слоя течения на этой поверхности по отношению к возникновению поверхностных вихрей Гертлера:

где U_∞ - скорость потока, натекающего на криволинейную поверхность с радиусами кривизны R₍₊₎ и R_(-), δ₂(x) - толщина потери импульса в пограничном слое, формируемом потоком среды на обтекаемой поверхности, ν - вязкость натекающей среды; при этом учитывается, что критические скорости U_∞ для изотермического течения ниже для вогнутых участков углублений по сравнению с величиной критической скорости для выпуклых участков.

На обтекаемую поверхность (фиг.1) наносят криволинейный рельеф в виде отдельных углублений 1 двойной кривизны, каждое из которых состоит из вогнутой части 2 внутренней криволинейной поверхности углубления, имеющей выбранную криволинейную форму в виде поверхности второго порядка без острых углов на ней, включая, например, сферическую форму с радиусом кривизны R_(-) или эллиптическую форму с радиусами кривизны R_min(-) и R_max(-), сопрягаемую с исходно гладкой поверхностью 3 выпуклыми криволинейными скатами тороидальной формы круглого, эллиптического, параболического или гиперболического сечений с радиусами кривизны, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, а поверхности вогнутой и выпуклой формы имеют в точках сопряжения общие касательные. Величины R_min(-), R_max(-), R_min(+) и R_max(+) определяются аналогично вышеописанному из соотношений (Q):

Поверхность для уменьшения трения с газообразной, жидкой средой или их смесями характеризуется тем, что на гладкой поверхности с защитным слоем в виде нанесенного на эту поверхность полимерного материала или без него выполнены углубления 1, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми 4 и вогнутыми 2 поверхностями второго порядка, при этом сопряжение углублений с исходно гладкой поверхностью 3 осуществляется с помощью образующих скаты выпуклых поверхностей, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть углубления, выполнена гладкой или с обтекателем 5, а отношение глубины h_c углубления к размеру L₁ углубления вдоль направления потока находится в интервале

отношение поперечного размера L₂ углубления к продольному L₁ размеру углубления находится в интервале:

при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:

Углубления на поверхности могут быть выполнены с продольным и поперечным размерами, изменяющимися вдоль потока.

Углубления могут быть нанесены либо механическим, либо электрохимическим способами, либо формованием и полимеризацией защитного слоя, либо обработкой поверхности лазерным лучом, либо с использованием комбинаций из этих способов.

Скаты могут быть образованы либо тороидальной гиперболической, либо тороидальной параболической, либо тороидальной эллиптической, либо тороидальной сферической поверхностями.

При форме скатов в виде острой кромки, сечение которых представляет собой круг, ограничивающий углубление, а его вогнутая сферическая часть имеет кривизну i/R_(-), радиус Tsp углубления определяется соотношением:

где h_sp - глубина вогнутой сферической части углубления; выпуклой части углубления;

При тороидальной сферической форме скатов, сечение которых представляет собой круг радиуса R₍₊₎, а центральная вогнутая часть имеет сферическую форму, радиус r_c связан с размерами углубления соотношением:

Обтекатели на таких поверхностях имеют форму тел вращения, криволинейным основанием которых являются части вогнутой поверхности углубления, а проекция обтекателя на любую плоскость, в которой лежат ось симметрии обтекателя и касательная к точке пересечения этой оси с вогнутой поверхностью углубления, определяется соотношением:

где r_i - радиус обтекателя, h_i - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R_(-) значения в диапазонах:

Обтекатели могут быть выполнены в виде углублений, двойных углублений или углублений, размещенных на поверхности основного углубления (фиг.2 - фиг.4).

Поверхность для интенсификации конвективного массо- и теплообмена с газообразной, жидкой средой или их смесями характеризуется тем, что на гладкой поверхности выполнены углубления 1, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми 4 и вогнутыми 2 поверхностями второго порядка, при этом сопряжение углубления с исходно гладкой поверхностью 3 осуществляется с помощью образующих скаты выпуклых поверхностей, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть углубления, выполнена гладкой или с обтекателем 5, а отношение глубины h_c углубления к размеру L₁ углубления вдоль направления потока находится в интервале:

отношение поперечного размера к продольному размеру углубления находится в интервале:

при плотности f расположения углублений на поверхности, находящейся в интервале:

Углубления могут быть выполнены с изменяющимся вдоль потока продольным и/или поперечным размерами.

Углубления нанесены либо механическим, либо электрохимическим способами, либо формированием и полимеризацией защитного слоя, либо обработкой поверхности лазерным лучом, либо с использованием комбинаций из этих способов.

Скаты могут быть образованы либо тороидальной гиперболической, либо тороидальной параболической, либо тороидальной эллиптической, либо тороидальной сферической поверхностями.

Радиус углубления r_sp вогнутой сферической части криволинейной поверхности имеет радиус кривизны R_(-) и определяется соотношением:

где h_sp - глубина вогнутой сферической части углубления; при этом радиус кривизны выпуклой части углубления R₍₊₎ его скатов связан с глубиной h_c и его радиусом r_c соотношением:

Обтекатели 5 могут иметь форму тел вращения, имеющих криволинейное основание в виде части вогнутой поверхности углубления, при этом проекция на любую плоскость, в которой лежат ось симметрии этих обтекателей и касательная к точке пересечения оси их симметрии с вогнутой поверхностью углубления, определяется соотношением:

где r_i - радиус обтекателя, h_i - его высота, принимающие при выбранном радиусе кривизны R_(-) значения в диапазонах:

На поверхности теплообменной пластины 6 углубления 1 могут быть расположены в шахматном или коридорном порядке.

Размер углублений и их глубина могут увеличиваться или уменьшаться по направлению потока вдоль пластины.

Вокруг углублений большего размера могут быть симметрично расположены углубления с меньшими размерами и глубинами. На другой стороне пластины 6 могут быть расположены выступы, ответные углублениям. На другой стороне пластины могут быть расположены ребра 7, ориентированные вдоль пластины по направлению потока.

Углубления на другой стороне пластины могут быть расположены симметрично или несимметрично относительно углублений основной стороны. Дополнительная поверхность пластины 12 может быть размещена относительно основной поверхности пластины 6 с образованием теплообменного канала, при этом поверхности основной и дополнительной пластин с углублениями обращены друг к другу и расположены параллельно за счет дистанционирующих элементов 8 в виде выступов сферической, конической, цилиндрической или иной форм.

На поверхности трубы 9 углубления могут быть расположены вдоль и поперек трубы в шахматном или коридорном порядке.

Размер углублений и их глубина могут увеличиваться или уменьшаться по направлению потока или поперек него.

На внутренней поверхности трубы 9 могут быть расположены сферические выступы (не показано), продольные ребра 10, или поперечные ребра 11, или скрученная лента 13 с углублениями.

Углубления на внутренней поверхности трубы могут быть расположены симметрично или асимметрично относительно углублений на наружной поверхности.

На внутренней поверхности трубы могут быть расположены углубления, размер и глубина которых увеличиваются или уменьшаются по направлению потока вдоль трубы.

На внутренней поверхности трубы могут быть расположены углубления, и внутри трубы установлена изогнутая скрученная лента с углублениями.

Радиусы кривизны рельефа, радиусы следов углублений на формуемой поверхности, глубины рельефа и параметры обтекателя в случае его устройства в углублениях определяются по вышеприведенным соотношениям и диапазонам, поименованным буквами (А), (В), (С), (D), (Е), (F), (H), (I), (J), (К) и (Q). Например, выбирают канал или тело, функционирование которых связано с относительным движением их поверхности и сплошной среды. Определяют основные аэрогидродинамические характеристики потоков газов, жидкостей или их двухфазных смесей в случае формирования предлагаемого течения со встроенными смерчеобразными струями в каналах или аналогичные характеристики для тела, движущегося в указанных выше средах. Устанавливают диапазоны возможного изменения теплофизических свойств рабочей среды, характерный размер, определяющий режим относительного движения сплошной среды и поверхности, вычисляют числа Рейнольдса (Re) и определяют возможные диапазоны их изменения.

В соответствии с результатом проведенного анализа варьируют числа Re с целью подбора возможных величин радиусов (размеров) следа углублений на формуемой поверхности, стремясь разместить их цельночисленные количества вдоль и поперек течения или в направлении движения тела. В соответствии с задачей, решаемой с помощью формирования течения со встроенными смерчеобразными струями, выбирают форму углублений, радиусы их кривизны, а также плотность рельефа f, пользуясь диапазонами их изменений, обозначенными буквами (А), (В), (С), (Е) и (Q). Учитывая, что величина

подбирают t₁ и t₂ - поперечный и продольный шаги расположения углублений на исходно гладкой поверхности, соответственно таким образом, чтобы при наилучшем приближении к заданной величине f количество углублений вдоль и поперек формуемой поверхности было бы цельночисленным. Вслед за подбором величин f, t₁ и t₂ определяют радиус следа углубления на поверхности из соотношения:

Используя диапазон значений h_c/r_c, обозначенный буквами (А) или (Н), в зависимости от решаемой задачи, вычисляют глубину h_c конструируемого рельефа. В соответствии с выбранными радиусами кривизны, плотностью углублений, размерами следов и глубин рельефа разрабатывают технологию формования поверхности, готовят соответствующий инструмент и изготавливают каналы или несущие поверхности.

Предлагаемое изобретение основано на обнаруженном авторами примерно 30 лет назад феномене самоорганизации квазипотенциальных смерчеобразных струй газов, жидкостей и/или их двухфазных смесей в углублениях, имеющих граничную поверхность второго порядка, и перестройки на таких поверхностях пограничного слоя при обтекании потоками этих сред поверхностей с углублениями. Этот феномен экспериментально исследован, теоретически описан, визуализирован и испытан в лабораторных и натурных условиях в широком интервале скоростей и давлений, в том числе в диапазонах дозвуковых и сверхзвуковых скоростей воздушных потоков и при критических и закритических параметрах жидких теплоносителей.

Поля скоростей и давлений в обнаруженных смерчеобразных струях описываются точными решениями основных нестационарных уравнений гидродинамики вязкой жидкости (уравнения Навье-Стокса и неразрывности), а знания и опыт, накопленные при исследованиях и разработках формованных поверхностей, обеспечили установление необходимых и достаточных условий для их формирования, что является предметом изобретения.

Обнаруженные струи и процесс их самоорганизации названы нами Tornado Like Jet (TLJ) и Tornado Like Jet Self Organization Process (TLJSOP) соответственно; поверхность, на которой возникает TLJSOP, названа TLJ-Surface (TLJS), а технологии, использующие такие струи, - Tornado Like Jet Technologies (TLJT).

Многочисленные аэрогидродинамические и теплофизические эксперименты, разработки и испытания опытных и натурных образцов поточной техники и транспортных агрегато